Messgassonde zur Messung von Gasen in einer heissen und staubhaltigen Gasatmosphäre

Abstract

 Eine Messgassonde für die In-Situ-Messung von gasförmigen Rauchgasbestandteilen in einer heißen, staubhaltigen Gasatmosphäre besteht aus einem wassergekühlten Sondenkörper (1) mit einem Außenmantel (3) und einem Innenmantel (4). Innerhalb des Innenmantels (4) des Sondenkörpers (1) ist eine Messsonde (2) axial verschiebbar angeordnet, die ein äußeres Rohr (10) und ein Innenrohr (14) aufweist, durch das elektrische Leitungen (15) zu einem Anschlussgehäuse (16) geführt sind, der an dem aus der Sondenkörper (1) herausragenden Ende der Messsonde (2) angebracht ist. An dem vorderen Ende des äußeren Rohres (10) der Messsonde (2) ist eine Messkammer (11) angeordnet, die von einem aus einem Sinterwerkstoff gefertigten, ringförmigen Filter (12) umschlossen ist und in der Sensoren (13) zur Bestimmung der gasförmigen Rauchgasbestandteile angeordnet sind. Vor der Messkammer (11) ist ein Stößel (31) angeordnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Messgassonde für die In-Situ-Messung von gasförmigen Rauchgasbestandteilen in einer heißen, staubhaltigen Gasatmosphäre.

[0002] Die Betreiber der Feuerungsanlagen von Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen, Glasschmelzen oder Zementdrehöfen und anderen sind nicht zuletzt aus Umweltgründen gehalten, eine einwandfreie Verbrennung möglichst mit Hilfe einer Regelung der Feuerung zu gewährleisten. Um die vorgeschriebenen Umweltdaten einhalten zu können, ist ständig unter anderem die Sauerstoffkonzentration im Rauchgas zu überwachen.

[0003] Es sind Messverfahren.und Messanordnungen zur Bestimmung der gasförmigen Rauchgasbestandteilen bekannt, bei denen mittels wassergekühlter Gasentnahmesonden das Messgas aus dem Feuerraum angesaugt und über temperierte Schläuche und weite Wege einem Gas-Analysengerät zugeführt wird. Der Messvorgang dauert 3 bis 4 Minuten vom Zeitpunkt der Ansaugung her, was für eine Regelung des Feuerungsprozesses wesentlich zu lang ist.

[0004] In staubbeladenen Feuerungen von z. B. Zementdrehöfen besteht an den bisher bekannten Sonden die Gefahr des Anbackens von Staub im Innern des Messraumes (Rohmehlansatz). Um diese Sonden wieder von Anbackungen freizubekommen, sind erhebliche Demontage- und Montagearbeiten sowie Wartungsarbeiten nötig. Diese Arbeiten haben einen längeren Ausfall der Messung zur Folge.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in einer heißen, staubbeladenen Gasatmosphäre einzusetzende Messgassonde für eine In-Situ-Messung zu schaffen, die verzögerungs- und weitgehend wartungsfrei arbeiten kann.

[0006] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0007] In der erfindungsgemäßen Messgassonde liegt der Sensor geschützt vor den Einflüssen der heißen, staubhaltigen Gasatmosphäre. Dadurch wird es möglich, auch unter diesen ungünstigen Betriebsbedingungen eine In-Situ-Messung durchführen zu können. Die oszillierende Axial- und Drehbewegung verhindert ein Anbacken von Staub auf und in der Messgassonde und an dem Durchtritt der Messgassonde durch die Wand der Feuerung. Außerdem kann der Staub ausgestoßen werden, der sich vor der Messsonde im Sondenkopf ansammelt

[0008] Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 Zeichnung geben jeweils den Längsschnitt durch eine Messgassonde wieder.

[0009] Die dargestellte Messgassonde ist für die Bestimmung von gasförmigen Bestandteilen im Rauchgas, insbesondere des Gehaltes an Sauerstoff, Stickoxid (NO_x) und Kohlenmonoxid (CO) bestimmt und wird an Feuerungen mit einer sehr staubhaltigen und heißen Gasatmosphäre von bis zu 1500°C eingesetzt. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist der Einsatz an Zementdrehrohröfen.

[0010] Die Messgassonde weist eine an den Messort angepasste Baulänge zwischen 2 m bis 4,5 m auf. Sie besteht aus einem wassergekühlten Sondenkörper 1 und einer in dem Sondenkörper 1 angeordneten Messsonde 2.

[0011] Der Sondenkörper 1 besteht aus einem Außenmantel 3 und einen darin mit radialen Abstand konzentrisch oder wahlweise exzentrisch angeordneten Innenmantel 4. An den einander gegenüber liegenden Enden sind der Außenmantel 3 und der Innenmantel 4 durch einen Frontdeckel 5 und einen Abschlussdeckel 6 zur Bildung eines dichten, von Kühlwasser durchströmten Zwischenraumes 7 verbunden. Der Außenmantel 3 ist an seinem rückwärtigen Ende mit einem Anschluss für den Kühlwassereinlauf 8 und mit einem Anschluss für den Kühlwasserauslauf 9 versehen. Der Kühlwassereinlauf 8 befindet sich in der 6-Uhr-Stellung und der Kühlwasserauslauf 9 in der 12-Uhr-Stellung. In dem Zwischenraum 7 angeordnete Leitbleche sorgen für einen Durchlauf des Kühlwassers durch den Zwischenraum 7.

[0012] Die Messsonde 2 ist in dem Innenmantel 4 des Sondenkörpers 1 angeordnet. Sie weist ein äußeres, aus Edelstahl gefertigtes Rohr 10 und ein darin angeordnetes Innenrohr 14 auf. Das äußere Rohr 10 ist an seinem vorderen Ende mit einem rohrförmigen, aus einem Sinterwerkstoff bestehenden Filter 12 verbunden. Das Filter 12 umschließt eine Messkammer 11, in der ein oder mehrere Sensoren 13 zur Bestimmung der gasförmigen Bestandteile des Rauchgases angeordnet sind. Es kann beispielsweise jeweils ein Sensor zur Bestimmung des Gehaltes an Sauerstoff (O₂), Stickoxid (NO_x) und an Kohlenmonoxid (CO) vorgesehen werden. Die Sensoren 13 sind mit dem äußeren Rohr 10 der Messsonde 1 verbunden. Das Messgas tritt durch den Ringspalt zwischen dem Sondenkörper 1 und der Messsonde 2 ein und gelangt durch das Filter 12 in die Messkammer 11, wo es mit den Sensoren 13 in Berührung kommt. Die treibende Kraft für das Ansaugen des Messgases ist ein Unterduck, der in der Messsonde 2 von außen erzeugt wird.

[0013] Durch das Innenrohr 14 sind elektrische Leitungen 15 zu einem Anschlussgehäuse 16 geführt. Das Anschlussgehäuse 16 ist an dem aus dem Sonderkörper herausragenden Ende des äußeren Rohres 10 befestigt. Über die elektrischen Leitung werden die elektrischen Signale der Sensoren 13 nach außen geleitet.

[0014] Das Filter 12 ist mit einem Stößel 31 verbunden, der vorne mit einer Ausstoßplatte 19 versehen ist. Der Stößel 31 begrenzt die Messkammer 11 zur Sondenspitze hin.

[0015] Die Messsonde 2 ist axial beweglich in dem Innenmantel 4 des Sondenkörpers 1 angeordnet. Auf dem aus dem Abschlussdeckel 6 des Sondenkörpers 1 herausragenden Ende des äußeren Rohres 10 ist eine Zahnstange 17 befestigt. In die Zahnstange 17 greift das Zahnrad eines Antriebsmotors 18 ein. Der Antriebsmotor 18 führt über eine entsprechende Steuerung eine oszillierende Bewegung aus, durch die die Messsonde 2 um etwa 100 mm vor- und rückwärts bewegt wird. Diese axiale alternierende Bewegung hat den Zweck, partikelförmige Ansammlungen vor der Messkammer 11 abzuwerfen, die den Messvorgang behindert würden. Das Abwerfen geschieht durch die Ausstoßplatte 19.

[0016] Ein anderer Antrieb für die oszillierende Axialbewegung der Messsonde 2 ist in der Fig. 2 dargestellt. Dieser Antrieb besteht aus einer mit Druckluft betriebenen Kolben-Zylinder-Anordnung, die an dem Sondenkörper 1 befestigt ist. Im Einzelnen enthält die Kolben-Zylinder-Anordnung einen zylindrischen Kolben 40, der auf dem aus dem Sondenkörper 1 herausragenden Teil des äußeren Rohres 10 der Messsonde 2 fest aufgeklemmt ist. Der Kolben ist in einem Zylindermantel 32 axial geführt, der beiderseits des Kolbens 40 durch je einen Zylinderdeckel 36 verschlossen ist. Die Zylinderdeckel 36 sind über Zugstangen 39 miteinander und der dem Sondenkörper 1 zugewandte Zylinderdeckel 36 ist mit dem Abschlussdeckel 6 des Sondenkörpers 1 verbunden.

[0017] Beiderseits des Kolbens 40 ist je eine Dämpfungsfeder 35 vorgesehen, die jeweils auf dem Kolben 40 und auf einem der Zylinderdeckel 36 abgestützt ist. Zwischen den Zylinderdeckeln 36 und dem äußeren Rohr 10 der Messsonde 2 ist jeweils eine Kolbenstangendichtung 33 und zwischen dem Kolben 40 und dem Zylindermantel 32 ist eine Kolbendichtung 34 angeordnet.

[0018] In den Zylinderdeckeln 36 oder in dem Zylindermantel 32 beiderseits des Kolbens 40 sind Anschlüsse 37, 38 für die Zufuhr und Abfuhr von Druckluft vorgesehen. Je nach der Beaufschlagung der Kolbenräume beiderseits des Kolbens 40 mit Druckluft, wird der Kolben 40 und damit die Messsonde 2 innerhalb des Sondenkörpers 1 nach rechts oder nach links bewegt. Hierbei dient das äußere Rohr 10 der Messsonde 2 als Kolbenstange.

[0019] Der Vorteil des pneumatischen Antriebes über die beschriebene Kolben-Zylinder-Anordnung liegt darin, dass die Schubkraft mittig angreift. Im Gegensatz zu dem Drehantrieb über den Antriebsmotor 18 und die Zahnstange 17 gemäß Fig. 1 wirkt bei dem pneumatischen Antrieb gemäß Fig. 2 auf die Lagerung der Messsonde nur die Gewichtskraft und nicht zusätzlich noch eine aus dem Drehantrieb resultierende Lagergegenkraft.

[0020] Das rückwärtige Ende des Außenmantels 3 ist in einem Lager 20 gelagert. Die äußere Lagerschale des Lagers 20 ist fest in einem Lagerbock 21 auf einem Fahrwerk angeordnet, das in Längsrichtung der Messgassonde verschiebbar ist. Zu diesem Zweck ist auf dem Lagerbock 21 eine Spindelmutter 22 montiert, durch die eine Spindel 23 geführt ist. An die Spindel 23 greift ein nicht gezeigter, herkömmlicher Antrieb an, der die oszillierende Einund Ausfahrt der Messgassonde vornimmt.

[0021] Auf dem rückwärtigen Ende des Außenmantels 3 ist ein Zahnrad 24 befestigt, in das ein nicht gezeigter, herkömmlicher Drehantrieb eingreift. Der Drehantrieb erzeugt eine oszillierende Drehbewegung der Messgassonde jeweils um 45° nach links und rechts. Diese oszillierende Drehbewegung verhindert ein Ansammeln und Anbacken von Staub auf dem Außenmantel 3 in der Betriebsstellung der Messgassonde.

[0022] Durch den Zwischenraum 7 zwischen dem Außenmantel 3 und dem Innenmantel 4 des Sondenkörpers 1 ist eine Spülgasleitung 25 hindurchgeführt. Die Spülgasleitung 25 endet an der Messkammer 11. Das rückwärtige, nach außen geführte Ende der Spülgasleitung 25 ist mit einem Spülgasanschluss 26 versehen. Über diesen Spülgasanschluss 26 wird Spülgas oder Spülluft impulsweise zugeführt, um das Filter 12 periodisch zu reinigen.

[0023] In dem Zwischenraum 7 zwischen dem Außenmantel 3 und dem Innenmantel 4 ist zusätzlich ein Gasentnahmerohr 27 unterbracht. Das Gasentnahmerohr 27 steht auf der einen Seite mit einer Entnahmeöffnung 28 in Verbindung, die an der Sondenspitze in dem Außenmantel 3 auf dessen Unterseite angebracht ist. Das aus dem Abschlussdeckel 6 heraustretende Ende des Gasentnahmerohres 27 ist mit einem Anschluss 29 zur Gasentnahme versehen, durch den entnommenes Messgas abgeführt wird.

[0024] An dem rückwärtigen, aus dem Sondenkörper 1 herausragenden Ende der Messsonde ist ein.Anschuss 30 für die Zufuhr von Druckluft angebracht. Die zugeführte Druckluft wird periodisch oder bei Bedarf in den baulich gegebenen Rinspalt zwischen dem Sondenkörper 1 und der darin eingebauten Messsonde 2 eingeleitet, um den Ringspalt freizublasen.

Ansprüche

1. Messgassonde für die In-Situ-Messung von gasförmigen Rauchgasbestandteilen in einer heißen, staubhaltigen Gasatmosphäre bestehend

- aus einem wassergekühlten Sondenkörper (1) mit einem Außenmantel (3) und einem Innenmantel (4), die an den Enden mit einem Frontdeckel (5) und einem Abschlussdeckel (6) verbunden sind, wobei der Außenmantel (3) mit Anschlüssen für die Zufuhr und Abfuhr von Kühlwasser versehen ist,

- aus einer innerhalb des Innenmantels (4) des Sondenkörpers (1) angeordneten Messsonde (2) ist, die ein äußeres, vorzugsweise aus Edelstahl bestehendes Rohr (10)-und ein innerhalb des äußeren Rohres (10) angeordnetes Innenrohr (14) aufweist, durch das elektrische Leitungen (15) zu einem Anschlussgehäuse (16) geführt sind, das an dem aus der Sondenkörper (1) herausragenden Ende der Messsonde (2) angebracht ist,

- aus einer an dem vorderen Ende des äußeren Rohres (10) der Messsonde (2) angeordneten Messkammer (11), die von einem aus einem Sinterwerkstoff gefertigten, ringförmigen Filter (12) umschlossen ist und in der Sensoren (13) zur Bestimmung der gasförmigen Rauchgasbestandteile angeordnet sind,

- und aus einem Stößel (31), der vor der Messkammer (11) angeordnet ist.

2. Messgassonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (2) axial beweglich in dem Innenmantel (4) des Sondenkörpers (1) angeordnet ist und dass an das aus dem Sondenkörper (1) herausragenden Ende der Messsonde (2) ein Antrieb angreift, der eine oszillierende Bewegung ausführt.

3. Messgassonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb aus einer Kolben-Zylinder-Anordnung besteht, deren Kolben (40) auf dem aus dem Sondenkörper (1) herausragenden Teil des äußeren Rohres (10) der Messsonde (2) aufgeklemmt und in einem Zylindermantel (32) axial geführt ist, der beiderseits des Kolbens (40) durch je einen Zylinderdeckel (36) verschlossen und an dem Sondenkörper (1) befestigt ist.

4. Messgassonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits des Kolbens (40) je eine Dämpfungsfeder (35) vorgesehen ist, die jeweils auf dem Kolben (40) und auf einem der Zylinderdeckel (36) abgestützt ist.

5. Messgassonde nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits des Kolbens (40) in den Zylinderdeckeln (36) oder dem Zylindermantel (32) Anschlüsse (37, 38) für die Zufuhr und Abfuhr von Druckluft vorgesehen sind.

6. Messgassonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb aus einer auf dem äußeren Rohr (10) der Messsonde (2) angebrachten Zahnstange (17) besteht, in die ein Zahnrad eines Antriebsmotors (18) eingreift.

7. Messgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (1) mit einem eine oszillierende Bewegung ausführenden Drehantrieb versehen ist.

8. Messgassonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (3) des Sondenkörpers (1) in einem Lager (20) auf einem Lagerbock (21) gelagert ist und dass der Außenmantel (3) mit einem Zahnrad (24) versehen ist, an das der Drehantrieb angreift.

9. Messgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (1) mit einem eine oszillierende Bewegung in axialer Richtung ausführenden Antrieb versehen ist.

10. Messgassonde nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Lagerbock (21) eine Spindelmutter (22) montiert ist, durch die eine Spindel (23) geführt ist, an die der die oszillierende Bewegung ausführende Antrieb angreift.

11. Messgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwassereinlauf (8) in der 6-Uhr-Stellung und der Kühlwasserauslauf (9) in der 12-Uhr-Stellung angeordnet ist.

12. Messgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der Messkammer (11) eine Spülgasleitung (25) endet, die mit einem Anschluss (29) für die impulsweise Zuführung eines Spülgases zur Reinigung des Filters. (12) versehen ist.

13. Messgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zwischenraum (7) zwischen Außenmantel (3) und dem Innenmantel (4) des Sondenkörpers (1) ein Gasentnahmerohr (27) angeordnet ist, dessen eines Ende mit einer in dem Außenmantel (3) angebrachten Entnahmeöffnung (28) verbunden ist und dessen anderes Ende aus dem Abschlussdeckel (6) herausragt und mit einem Anschluss (29) versehen ist.

14. Messgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem rückwärtigen, aus dem Sondenkörper (1) herausragenden Ende der Messsonde (2) ein Anschluss (30) für die periodische oder bedarfsweise Zuführung von Druckluft angeordnet ist.

Zeichnung